Revolucionando Próteses: O Novo Cotovelo de Rigidez Variável
Descubra como os cotovelos de rigidez variável estão mudando a vida dos amputados.
Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano
― 7 min ler
Índice
Perder um membro é um acontecimento que muda a vida. Isso não afeta só a capacidade física da pessoa, mas também tem consequências emocionais e sociais. Dispositivos prostéticos são criados pra ajudar as pessoas a recuperarem sua mobilidade e independência. Mas, mesmo com os avanços na tecnologia, muitas próteses ainda não funcionam como membros humanos de verdade. Uma prótese comum geralmente falta a flexibilidade e o controle necessários pra movimentos naturais.
Imagina tentar comer sopa com uma colher usando um bastão rígido. É assim que muita gente se sente usando braços protéticos tradicionais. Elas até ajudam nas atividades do dia a dia, mas estão longe de serem perfeitas. Pesquisas recentes têm se esforçado pra criar dispositivos prostéticos que imitam melhor o funcionamento dos nossos membros reais, proporcionando mais conforto e flexibilidade.
O que há de novo?
Um grande avanço na tecnologia das próteses é o desenvolvimento de cotovelos prostéticos com Rigidez variável. Diferente dos dispositivos prostéticos padrão, que têm rigidez fixa, esses novos modelos permitem que os usuários mudem a rigidez da articulação do cotovelo. Isso significa que eles podem deixar a articulação mais flexível pra tarefas que exigem movimentos sutis, como escrever ou tocar um instrumento, e mais rígida pra atividades que precisam de mais suporte, como levantar uma caixa.
Esses cotovelos com rigidez variável funcionam usando um tipo especial de atuador. Pense no atuador como um motor pequeno que controla quão rígido ou mole o cotovelo fica. Ao invés de uma abordagem única pra todo mundo, esses dispositivos podem ser ajustados de acordo com as necessidades do usuário, proporcionando uma experiência mais natural e confortável.
Por que a rigidez é importante
A rigidez de uma articulação protética é fundamental pra quão bem ela funciona. A rigidez afeta a quantidade de força que a articulação pode suportar e quão bem ela pode se adaptar a diferentes tarefas. Ao levantar objetos pesados, uma articulação mais rígida é necessária pra suportar o peso. Por outro lado, ao realizar tarefas delicadas, uma articulação mais mole permitirá um movimento mais natural sem o risco de lesões.
Um cotovelo que pode ajustar sua rigidez é como ter uma ferramenta que pode se tornar um martelo ou um espanador de penas, dependendo do que você precisa. Isso permite que os usuários interajam com o ambiente de forma mais natural, tornando as tarefas diárias mais fáceis e confortáveis.
Como funciona?
O cotovelo com rigidez variável usa um design inteligente que imita o funcionamento dos nossos músculos e tendões. Ao invés de apenas depender de um motor pra operar o cotovelo, esses dispositivos prostéticos costumam usar dois motores. Essa configuração pode criar forças opostas, semelhante a como nossos bíceps e tríceps trabalham juntos.
Quando você dobra o braço, seus bíceps se contraem enquanto os tríceps relaxam. O mesmo princípio se aplica a esses cotovelos com rigidez variável. Os motores trabalham um contra o outro pra controlar o ângulo e a rigidez da articulação do cotovelo. Essa configuração dinâmica permite uma gama de movimento e rigidez que se assemelha muito ao movimento humano natural.
Escolhas de design
Projetar um cotovelo prostético não é uma tarefa fácil. Os engenheiros costumam enfrentar o desafio de fazer o dispositivo leve enquanto garantem que ele continue funcional. Os novos Designs buscam equilibrar tamanho, peso e desempenho.
Por exemplo, alguns designs mantêm todos os componentes contidos dentro do antebraço. Essa escolha ajuda a reduzir o peso total da prótese enquanto permite uma boa amplitude de movimento. Por outro lado, alguns designs dividem os motores entre o braço superior e o antebraço. Essa abordagem distribui o peso de forma mais equilibrada e pode tornar o dispositivo mais confortável para usuários que precisam de suporte extra.
Testes e validação
Pra garantir que esses cotovelos com rigidez variável sejam eficazes, testes e validação extensivos são cruciais. Isso envolve verificar o quão bem a prótese pode imitar o movimento natural e como ela responde a diferentes tarefas. Os testes geralmente incluem avaliar a capacidade do cotovelo de dobrar em diferentes ângulos e suportar diferentes pesos.
Surpreendentemente, alguns designs podem levantar até 3 kg enquanto permanecem leves. Essa capacidade é notável em comparação a próteses tradicionais, que podem ter dificuldade com pesos semelhantes. Além disso, estudos de caso do mundo real mostram que os usuários se beneficiam da capacidade de ajustar a rigidez, tornando tarefas do dia a dia mais fáceis.
Aplicações no mundo real
As utilizações práticas para cotovelos com rigidez variável são numerosas. Por um lado, eles podem melhorar significativamente a vida cotidiana de pessoas amputadas. Muitos usuários acham que dispositivos protéticos tradicionais limitam sua capacidade de se envolver em atividades. Com a rigidez variável, eles podem enfrentar uma gama mais ampla de tarefas, desde cozinhar até esportes.
Por exemplo, alguém poderia facilmente alternar entre levantar uma sacola de supermercado e mexer uma panela, tudo com o mesmo braço. Em cenários onde os usuários interagem com diversos ambientes, como em um mercado ou parque, a capacidade de adaptar a rigidez pode aumentar muito a segurança e a eficácia.
Experiência do Usuário
A experiência do usuário é o coração do desenvolvimento de novas tecnologias protéticas. O objetivo não é apenas criar um dispositivo funcional, mas um que os usuários se sintam confortáveis. Os pesquisadores estão bem cientes dessa necessidade e consideram o feedback dos usuários durante o processo de design. Muitos amputados expressaram o desejo de ter interações mais naturais com seus membros protéticos.
Ao incorporar o feedback dos usuários, os desenvolvedores podem ajustar os dispositivos pra atender necessidades individuais. Recursos como um empunhadura ajustável ou um movimento de dedos mais responsivo podem fazer a diferença entre um dispositivo que é apenas funcional e um que parece uma extensão do corpo.
O futuro das próteses
À medida que a tecnologia avança, o futuro das próteses parece promissor. Pesquisas e desenvolvimentos contínuos visam refinar ainda mais esses dispositivos. Melhorias em materiais, como o uso de compósitos mais leves e fortes, tornarão as próteses ainda mais eficazes.
Além disso, os avanços em sistemas de controle permitirão um uso mais intuitivo. Por exemplo, integrar sensores que possam detectar movimentos musculares e responder de acordo poderia eliminar a necessidade de ajustes manuais. O objetivo é criar uma interface sem costura entre o usuário e o membro protético, tornando a experiência o mais próxima possível do natural.
Conclusão
Em resumo, o desenvolvimento de cotovelos prostéticos com rigidez variável representa um passo significativo na tecnologia das próteses. Ao permitir que os usuários ajustem a rigidez da articulação do cotovelo, esses dispositivos oferecem interações mais naturais e confortáveis com o mundo.
Com pesquisas contínuas, melhorias no design e uma melhor experiência do usuário, o futuro parece brilhante para quem depende de membros prostéticos. Esses avanços podem mudar não só como os amputados vivem, mas também como se sentem em relação às suas capacidades, permitindo que abracem a vida com confiança, humor e um pouco menos de rigidez na sopa.
Fonte original
Título: Design, Characterization, and Validation of a Variable Stiffness Prosthetic Elbow
Resumo: Intuitively, prostheses with user-controllable stiffness could mimic the intrinsic behavior of the human musculoskeletal system, promoting safe and natural interactions and task adaptability in real-world scenarios. However, prosthetic design often disregards compliance because of the additional complexity, weight, and needed control channels. This paper focuses on designing a Variable Stiffness Actuator (VSA) with weight, size, and performance compatible with prosthetic applications, addressing its implementation for the elbow joint. While a direct biomimetic approach suggests adopting an Agonist-Antagonist (AA) layout to replicate the biceps and triceps brachii with elastic actuation, this solution is not optimal to accommodate the varied morphologies of residual limbs. Instead, we employed the AA layout to craft an elbow prosthesis fully contained in the user's forearm, catering to individuals with distal transhumeral amputations. Additionally, we introduce a variant of this design where the two motors are split in the upper arm and forearm to distribute mass and volume more evenly along the bionic limb, enhancing comfort for patients with more proximal amputation levels. We characterize and validate our approach, demonstrating that both architectures meet the target requirements for an elbow prosthesis. The system attains the desired 120{\deg} range of motion, achieves the target stiffness range of [2, 60] Nm/rad, and can actively lift up to 3 kg. Our novel design reduces weight by up to 50% compared to existing VSAs for elbow prostheses while achieving performance comparable to the state of the art. Case studies suggest that passive and variable compliance could enable robust and safe interactions and task adaptability in the real world.
Autores: Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano
Última atualização: 2024-12-05 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2412.03985
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.03985
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.
Obrigado ao arxiv pela utilização da sua interoperabilidade de acesso aberto.
Ligações de referência
- https://www.utaharm.com/product-utah-arm-options/
- https://shop.ottobock.us/Prosthetics/Upper-Limb-Prosthetics/Myoelectric-Elbows/DynamicArm/p/12K100N~550-1
- https://github.com/NMMI
- https://shop.ottobock.us/Prosthetics/Upper-Limb-Prosthetics/Myoelectric-Elbows/DynamicArm/p/12K100N%7E550-1.com
- https://ieeexplore.ieee.org